Сущность эпитаксиальной технологии. Дистилляция. Ректификация

Процесс осуществляют при дискретном (ступенчатом) контакте фаз в тарельчатых колоннах или непрерывном контакте фаз в насадочных колоннах.

Непрерывная ректификация. При ректификации в тарельчатых аппаратах (рис. 1.2) исходная смесь в кол-ве F с концентрацией низкокипящего компонента xF поступает (здесь и далее в единицу времени) в среднюю часть колонны; верх. продукт-дистиллят в кол-ве D с концентрацией низкокипящего компонента XD отбирается из дефлегматора, а обедненный этим компонентом остаток в кол-ве W с концентрацией xw отводится в качестве ниж. продукта из куба-испарителя (F, D, W-в моль/ч, Хр, XD, XW-B молярчых долях). Образующиеся в нем пары поднимаются по колонне, контактируя на тарелках от 1 до п со стекающей жидкостью, и поступают в дефлегматор, откуда часть образовавшегося конденсата, наз. флегмой (Ф моль), возвращается в верх. часть колонны.

 

 

Рис. 1.5 – Ректификационная установка периодич. действия: 1 -куб; 2-колонна; 3-дефлегматор; 4-делитель потоков; 5-холодильник; 6, 7-сборники

Азеотропная ректификация. Для нек-рых бинарных смесей кривые равновесия у* = f(x) при определенных условиях пересекают диагональ y-x-диаграммы; в точке пересечения составы пара и жидкости одинаковы (азеотропная смесь), вследствие чего подобные смеси обычной ректификацией разделить невозможно. Поэтому к исходной смеси добавляют р-ри-тель-т.наз. разделяющий агент, образующий с одним из компонентов азеотропную смесь, к-рая при ректификации выделяется в виде дистиллята; кубовая жидкость представляет собой высококипящий компонент с миним. содержанием разделяющего агента. Однако его выделение из азеотропной смеси (дистиллята) затруднено. Один из методов, позволяющий осуществить рецикл р-рителя, заключается в применении таких разделяющих агентов, к-рые обладают ограниченной взаимной р-римостью в компонентах, отбираемых в виде дистиллята. При этом благодаря его расслаиванию в разделит. сосуде слой, обогащенный ЛЛК, поступает в среднюю часть регенерац. колонны, откуда в результате ректификации в виде кубового продукта отбирается ЛЛК исходной смеси, а в виде дистиллята-азеотроп, направляемый в разделит. сосуд (рис. 1.6).

Экстрактивную ректификацию используют обычно для разделения смесей близкокипящих компонентов, характеризующихся низкой относит. летучестью а. Разделение таких смесей приходится проводить в колоннах с очень большим числом ТТ и высоким расходом пара из-за необходимости поддерживать большое R. Однако если к исходной смеси добавить практически нелетучий разделяющий компонент, способный повысить a осн. компонентов, разделение можно осуществить в двух ректификац. колоннах. На одну из верх. тарелок первой колонны подается разделяющий агент, к-рый раств. в потоке флегмы и повышает а смеси, в результате чего в виде дистиллята выделяется ЛЛК, а в виде остатка-смесь ТЛК и разделяющего агента. Эта смесь направляется в середину второй колонны, где, в свою очередь, разделяется на ТЛК (дистиллят) и остаток (разделяющий агент), к-рый возвращается в первую колонну.

 

Рисунок 1.6 – Установка для азеотропной ректификации: 1 -ректификац. колонна; 2-регенерац. колонна; 3-дефлегматор; 4-разделит. сосуд; 
Р-разделяющий агент

 

Молекулярная ректификация, наз. также многоступенчатой мол. дистилляцией, используется для разделения смесей малолетучих и термически нестойких в-в. Среди разл. конструкций аппаратов для такой ректификации практич. интерес представляют аппараты лестничного типа, принцип работы к-рых показан на рис. 1.7. Пары, испаряясь с пов-сти жидкости, напр. на ступени А3, конденсируются на наклонной пов-сти В3, а образующийся конденсат стекает в смежную вышестоящую ступень А4. Избыточное кол-во жидкости из ступени А4 переливается в ступень А3 и т.д., т.е. в аппарате осуществляется противоток жидкости и пара.

 

 

Рис. 1.7 – Установка для молекулярной ректификации

2 МЕТОД КИРОПУЛОСА

 

Способ выращивания кристалла методом Киропулоса из расплава или раствор - расплава включает рост кристалла на приманку, зафиксированную в кристалдодержателе и расположенную сверху в центральной точке поверхности расплава, разрастание кристалла в Ростовом тигле при медленном снижении температуры и охлаждении выросшего кристалла, при этом по окончании ростового цикла остался в тигле расплав или раствор - расплав сливают через нагретую с помощью дополнительного нагревателя трубку, расположенную в донной части тигля, а выросший кристалл, хранящий свое положение после окончания ростового цикла, охлаждают в тигле, освобожденном от расплава. Технический результат - предотвращение растрескивания выросший кристалла через термоупругих напряжений, возникающих в момент подъема кристалла, а также деформации платинового тигля расплавом при его медленном охлаждении. Получают кристалл, например, трибората лития размером 150 × 130 × 80 мм, оптически качественная часть которого составляет 80-90% объема вырос кристалла, рисунок 2.1.

 

Рис. 2.1– Фотография кристалла трибората лития розмером 150 × 130 × 80 мм

 

Изобретение относится к способу выращивания крупных кристаллов из расплава или раствор - расплава методом Киропулоса, предназначенных для использования в приборах квантовой электроники.

При выращивании кристаллов методом Киропулоса кристаллизацию начинают на поверхности расплава с последующим прорастанием кристалла вглубь расплава. Расплав готовят в Ростовом платиновом тигле с исходной сырьевой смеси нагреванием до температуры плавления. После гомогенизации расплава в центральную точку поверхности расплава помещают закреплен на охлаждаемом стержни начальный кристалл . На границе раздела : кристалл - расплав за счет отвода тепла через стержень и медленного снижения температуры создается переохлаждения , и на затравку растет монокристалл. Вырос кристалл поднимают (автоматически или вручную) над расплавом. Первоначально метод был применен для выращивания галогенидов щелочных металлов. В последнее время метод успешно применен для роста кристаллов из раствор - расплавных сред. 
При выращивании кристаллов методом Киропулоса путем роста кристалла на приманку, зафиксированную в кристаллодержатель и расположенную сверху в центральной точке поверхности расплава, разращивания кристалла при медленном снижении температуры, подъема кристалла из расплава или раствор - расплава и охлаждения вырос кристалла, значительная часть растущего кристалла находится под поверхностью расплава, способствует формированию крупных кристаллов . Однако подъем кристалла с р - расплава для его охлаждения связан с целым рядом трудностей.

Во-первых, возможно растрескивание затравки в подзатравочной области, что приводит к потере кристалла из-за падения его в раствор - расплав.

Во-вторых, при выращивании кристаллов методом Киропулоса над расплавом необходимо создавать перепад температуры . При перемещении кристалла в эту область возникают термоупругости напряжения, которые зачастую приводят к растрескиванию кристалла и уменьшают выход материала, пригодного для изготовления оптических элементов .

В-третьих, при медленном охлаждении поднятого кристалла на поверхности остаточного раствор - расплава начинается спонтанная кристаллизация, что приводит к деформации тигля. Кроме того, растущий кристалл ограничен стенками тигля и, в случае асимметричного роста, возможен контакт кристалла со стенками тигля, что делает невозможным его подъем над расплавом. В кристалле, охлаждаемом совместно с расплавом, образуются многочисленные трещины вследствие сильного давления кристаллизуется расплава. Задачей изобретения является получение качественных объемных кристаллов.

Технический результат в том, что изобретение позволяет избежать растрескивания кристалла через термоупругие напряжения, возникающих в момент подъема кристалла, а также деформацию платинового тигля расплавом при его медленном охлаждении.

Кроме того, в предложенном способе можно использовать более низкие тигле, так как отсутствует необходимость в верхнем пространстве над раствор - расплав, предназначенном для подъема кристалла при его охлаждении в известном способе. Это дает возможность создать более стабильные тепловые условия в зоне роста кристалла. Отсутствие деформации стенок тигля позволяет использовать для выращивания кристаллов более тонкостенные тигле. Эти два фактора делают процесс выращивания кристалла более эффективным из-за значительного уменьшения веса дорогих платиновых контейнеров.

Для достижения технического результата по окончании ростового процесса остался в тигле расплав или раствор – расплав сливают через нагретую с помощью дополнительного нагревателя трубки, расположенную в донной части тигля, а вырос кристалл, который сохраняет свое положение после окончания ростового цикла , охлаждают в освобожденном от расплава тигле. С патентов известно, по сути, о сливе расплава через донную часть ростового тигля. Однако в описанных патентах в Ростовом тигле сделаны отверстия для удаления в процессе роста кристалла, излишнего количества расплава образуется из-за разницы плотностей жидкой и твердой фаз кристаллизуется материала, так как при плотности жидкой фазы , большей , чем твердой фазы, кристаллизация идет с увеличением объема . 
В предлагаемом решении установлена ​​в донной части ростового тигля нагретая трубка предназначена для слива раствор - расплава, оставшийся после роста кристалла. Удаление остаточного раствор - расплава позволяет эффективно добывать выросли кристаллы из тигля после окончания ростового цикла, обеспечивает получение качественных объемных кристаллов без растрескивания, исключая деформацию тигля раствор - расплав при медленном охлаждении кристалла.

Рост крупных кристаллов методом Киропулоса с предлагаемым приемом охлаждения вырос кристалла продемонстрирован на примере кристаллов трибората лития ( LiB3O5 ) . Однако он может быть применен для любых кристаллов, выращиваемых в объеме расплава или раствор - расплава.

Пример. В платиновый ростовой тигель 1 диаметром 170 мм загружают шихту для получения 6 кг готового расплава 2 для выращивания LiB6O5. Соотношение компонентов флюса 2Li2O : 3В2О3 : 3МоО3 позволяют выращивать кристаллы весом 1320 После гомогенизации раствор - расплава в течение 5-7 суток в печь 3 опускают приманку LiB3O5 4, зафиксированную в кристаллодержателя 5, и определяют температуру насыщения по скорости оплавления затравки после ее касания поверхности расплава. Т.к. раствор - расплав электропроводящий, то момент столкновения затравки с поверхностью расплава устанавливают по падению сопротивления в электроцепи тигель - раствор - расплав - пыл - шток . При касании затравкой поверхности расплава цепь замыкается и сопротивление уменьшается на 2-3 порядка . После затравленные температуру снижают , охлаждая систему со скоростью 1 -2 град / сутки. По окончании ростового процесса включают встроенный дополнительный нагреватель 6 , разогревая платиновую трубку 7 в донной части ростового тигля 1 до появления первых капель расплава. Оптимальная скорость исходящего расплава составляет , примерно 1 кап / с. Раствор - расплав стекает в дополнительный платиновый тигель 8 размером 150 × 100 мм 2 . Процедуру слива раствор - расплава с момента включения встроенного нагревателя осуществляют в течение 1,5-2 часа. Получают кристалл трибората лития размером 150 × 130 × 80 мм ( Фиг.2 ) , оптически качественная часть которого составляет 80-90 % объема вырос кристалла с возможностью изготовления нелинейно - оптического элемента диаметром 60-70 мм и толщиной 15-10 мм для преобразования лазерного излучения с длиной волны 1064 нм во вторую гармонику.

Способ выращивания кристалла методом Киропулоса из расплава или раствор - расплава, включающий рост кристалла на приманку, зафиксированную в кристаллодержатель и расположенную сверху в центральной точке поверхности расплава, разращивания кристалла в Ростовом тигле при медленном снижении температуры и охлаждения выросшего кристалла , отличающийся тем, что по истечении ростового цикла оставшийся в тигле расплав или раствор - расплав сливают через нагретую с помощью дополнительного нагревателя трубку, расположенную в донной части тигля, а выросший кристалл, хранящий свое положение после окончания ростового цикла, охлаждают в тигле, освобожденном от расплава.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Crystals, New York, 1963, p. 3 (есть перевод: Теория и практика выращивания кристаллов, изд-во «Металлургия», 1968, стр. 9).
2. Cabrera N., в книге Solid Surfaces, Amsterdam, 1964, p. 320.
3. Коган В. Б., Теоретические основы типовых процессов химической технологии, Л., 1977.
4. Гельперин Н. И., Основные процессы и аппараты химической технологии, кн. 1-2, М., 1981. В. Б. Коган.
5. Коган В. Б., Азеотропная и экстрактивная ректификация, 2 изд., Л., 1971.
6. Касаткин А. Г., Основные процессы и аппараты химической технологии, 9 изд., М., 1973, с. 496-546.
7. Багатуров С. А., Основы теории и расчета перегонки и ректификации, 3 изд., М., 1974.
8. Жаров В. Т., Серафимов Л. А., Физико-химические основы дистилляции и ректификации, Л., 1975.